CC BY
194
УДК 662.161
ИСТОРИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ
О.Ю. Антонов, С.Н. Вагонов, И.В. Тартынов, Е.П. Поляков
Рассмотрены причины история появления пиротехнических газогенераторов, их основные преимущества при использовании во вспомогательных агрегатах ракетной техники, решаемые газогенераторами задачи, применение в существующих и перспективных конструкциях, а также основные направления развития газогенерирую-щей пиротехнической отрасли и задачи, решаемые для повышения эффективности пиротехнических газогенераторов.
Ключевые слова: газогенератор, твердые топлива, газодинамический лазер, ракетная техника, азотогенерирующий состав.
Вспомогательные силовые установки для генерирования электроэнергии на борту ракеты и раскрутки турбонасосных агрегатов при запуске ЖРД, сервоприводы рулей управления ракетой, питание гиросистем на горячем газе, обслуживание вытеснительных систем подачи топлива, источники заполнения газом различных надувных конструкций, перемещения движущихся частей различных устройств; катапультирования пилота или техники, размыкания и замыкания цепей электрического тока, приведения в действие клапанов, пуска небольших газовых турбин - это далеко неполный перечень задач, решаемых с помощью газогенерирующих устройств -пиротехническими газогенераторами (ПГГ), пиропатронами или пироэнер-годатчиками.
В общем случае газогенераторами называются энергетические устройства, которые вырабатывают сжатый газ с обеспечением регулированиям его количества, расхода и давления. Основным достоинством газогенераторов является их способность выделять максимальную энергию на единицу веса или объема по сравнению с другими источниками энергии, используемыми в настоящее время [1].
Принципиальным отличием ПГГ от пиропатронов или пироэнерго-датчиков является наличие сопла со сверхкритическим перепадом давления, благодаря чему процесс горения топлива в газогенераторе не зависит от условий в объеме, куда истекает газ. По конструкции заряда и характеру внутрикамерного процесса ПГГ имеют много общего с обычными ракетными двигателями твердого топлива.
В большинстве случаев коэффициент полезного действия этих систем оказывается достаточно высоким и достигает максимума при использовании высокотемпературных газов. Однако указанное достоинство газогенераторов является в то же время существенным недостатком и значительно усложняет их проектирование. Это связано с необходимостью обеспечения соответствия между высокими температурами газа в зоне непосредственного использования и применяемыми конструкционными материалами [2].
Поэтому в ракетно-космической технике широко применяются ПГГ, вырабатывающие рабочий газ повышенного давления и требуемой (обычно сравнительно низкой) температуры с минимальным содержанием конденсированной фазы.
Газогенераторы на жидком или газообразном топливе, а также гибридные газогенераторы в качестве вспомогательных устройств в ракетной технике начали применяться, начиная с 30-х годов ХХ века. В основном они использовались для вытеснения горючего и окислителя из баков в камеру сгорания, обеспечение работы турбонасосных агрегатов подачи компонентов топлива, раскрутка турбин воздушно-реактивных двигателей (ВРД), а также получение рабочего тела для систем управления. К примеру - ракеты типа «Фау-1» использовали газогенераторы на жидком топливе в системе подачи топлива и в агрегатах управления для питания механизмов рулевых машин. В жидкостных газогенераторах для получения рабочего тела использовалось дожигание компонентов топлива, таким образом, снижая эффективность ракеты, повышая ее вес и увеличивая теплонапря-женность конструкции. Гибридные газогенераторы обладали похожими недостатками, но в отличие от жидкостных, использовали дополнительно в качестве горючего специальные твердые горючие.
Со временем жидкостные газогенераторы стали постепенно вытесняться твердотопливными - более простыми и компактными. В качестве твердых топлив для газогенераторов использовались твердые ракетные топлива - баллиститные пороха (БП) и смесевые твердые топлива (СТТ).
Развитие твердотопливных газогенераторов связано с расширением номенклатуры разрабатываемых порохов. Широкая разработка газогене-рирующих порохов (ГГП) баллиститного типа началась в СССР в 1959 г. в связи с поставленной задачей создания заряда твердого топлива - источника горячих газов для порохового аккумулятора давления (ПАД) управляемого реактивного снаряда К-13 класса «воздух-воздух». Повышенные требования по чистоте газов и баллистическим характеристикам не позволили применить для этой цели существующие в то время штатные пороха и вызвали необходимость разработки нового типа твердых топлив - генерирующих газ с определенными параметрами в течение длительного времени. Одновременно были определены основные требования к таким топ-ливам:
- высокая чистота продуктов сгорания
- низкая температура продуктов сгорания
Тогда же были сформулированы основные принципы формирования рецептур газогенерирующих порохов. Рассматривая ряд топлив, способных при горении полностью газифицироваться, нельзя не упомянуть о знаменитом порохе марки «Н» на основе нитроглицерина, разработка которого положила начало целому семейству нитроглицериновых порохов, использовавшихся, в том числе и в качестве газогенерирующих топлив.
Порох Н - это единственный порох, в продуктах сгорания которого нет твердых остатков. Создание пороха с такой же чистотой газовой фазы, но лишенного недостатков пороха Н (высокая температура горения, высокая зависимость скорости горения от давления и температуры, аномальное горение при низких давлениях) является пока неразрешенной задачей.
Избавиться от такого рода недостатков пытались за счет применения СТТ, для изготовления которых зачастую использовалось то же оборудование, что и для изготовления баллиститных порохов, хотя компоненты были другими.
Однако из большого количества разработанных рецептур СТТ только очень немногие нашли практическое применение из-за отсутствия промышленной базы для серийного изготовления малогабаритных зарядов, а также из-за не полного удовлетворения комплекса требований, предъявляемых к газогенерирующим топливам.
Для решения упомянутых задач было решено развивать класс специальных пиротехнических топлив, свойства которых определялись спецификой компонентной базы, применяемой для изготовления пиротехники и технологией изготовления, традиционно применяемой в пиротехнической отрасли.
На основе неорганических нитратов и металлических горючих, в частности, был разработан ряд пиротехнических газогенерирующих составов типа 83-37 для пиротехнических вытеснителей жидкости, которые широко использовались в 60-е - 80-е годы. Они отличались простотой конструкции, причем необходимо отметить наличие в конструктивной схеме фильтра-охладителя, выполненного из инертных к продуктам сгорания материалов.
Создание в 1966 году в США первого газодинамического лазера (ГДЛ) предопределило бурное развитие лазерной технологии высоких энергий. С появлением газодинамических лазеров возникла реальная возможность создания лазерного луча мощностью десятки и сотни киловатт, существующего в течение нескольких секунд или даже минут.
Максимальные энергетические характеристики в ГДЛ можно получить при сверхзвуковом смешении энергонесущего и излучающего газов. При этом наилучшие результаты могут быть достигнуты, если в качестве источника колебательного возбуждения используется высокотемпературный азот. Однако, как было показано, даже у составов, получаемых на основе полиазотистых маловодородных наполнителей и пластификаторов, содержание азота в продуктах сгорания остается недостаточным. Поэтому было признано, что одним из перспективных направлений в создании рабочих тел СО2 - ГДЛ является использование пиротехнических азотогенерирующих составов (АГС), для которых содержание азота в газообразных продуктах сгорания может составлять до 90 и более объемных процентов.
В связи с этим в конце 70-х годов в СССР были начаты работы по созданию подобных ПГГ на основе низкотемпературных АГС. Полученный при этом научно-технический задел был успешно использован при создании нового поколения ракетно-космической техники.
Большим стимулом для развития низкотемпературных ПГГ явилось создание автомобильных подушек безопасности (АПБ). Для наддува (АПБ) могут использоваться как газобаллонные системы, так и системы на основе твердотопливных пиротехнических газогенераторов, а также - гибридные, использующие баллоны со сжатым газом совместно с пиротехническими устройствами [3].
Очевидно, что пиротехнические газогенераторы имеют по сравнению с газобаллонными системами ряд существенных преимуществ: большая энерговооружённость, компактность, автономность, высокая надёжность, простота в обслуживании, они не требуют после установки на автомобиль проведения регламентных проверок, сохраняют свою работоспособность в течение 10 - 15 лет и при необходимости этот срок может быть увеличен [4].
Несмотря на большое разнообразие различных конструктивных схем, область применения ПГГ в качестве источников газа для АПБ налагает на эти устройства определённые эксплуатационные ограничения: ПГГ должен выделять нетоксичный газ без агрессивных примесей. Газ, наполняющий мешок, должен иметь безопасную температуру, которая исключает возможность ожогов водителя и пассажиров, разрушения мешка и возникновения пожара в салоне. В большинстве случаев в качестве инертного газа использовался азот, для генерации которого применяли ПГГ на основе неорганических азидов, прежде всего азида натрия, однако позже для решения этих задач стали использовать ПГГ, снаряженные пиротехническими топливами на основе полиазотистых соединений, таких как нит-рогуанидин. ПГГ такого типа применяются в АПБ и на сегодняшний день.
Пиротехнические газогенерирующие составы, в которых основной газогенерирующий компонент - азид натрия, дают при разложении последнего практический единственный газообразный продукт - азот. Таким образом, к достоинствам таких составов можно отнести способность генерировать достаточно чистый инертный газ, имеющий сравнительно низкую температуру горения (1200±300) К. Поскольку азот имеет самый большой среди других газов показатель адиабаты (к-1,4 при нормальных условиях), его использование в качестве рабочего тела облегчает задачу охлаждения, т.к. в этом случае можно эффективно использовать способ адиабатического расширения. Однако выход газа с единицы массы азидно-го состава относительно невысок (40-50%), остальной объем составляет конденсированный шлаковый остаток, который остается в камере сгорания. Это влечет за собой повышенные требования к снаряжению блока
фильтрации в случае реализации больших величин массорасхода, в целях препятствования выносу шлакового остатка, содержащего большое количество щелочных соединений.
Развитие рецептурной базы составов для ПГГ в целях снижения температуры горения и повышения газовыделения, позволило существенно расширить возможности их использования в системах управления (сервоприводы, гиросистемы), а также для наддува гибких оболочек как в системах ракетно-космической техники, так и в системах газонаполнения гибких оболочек различных спасательных средств и жизнеобеспечения.
Дальнейшее совершенствование конструкций ПГГ связано с разработкой фильтрующее-охлаждающих компонентов. Для ПГГ, использующихся в ракетно-космической технике, как правило, используются пассивные механические фильтры-охладители, которые гораздо эффективнее активные химических охладителей в сумме эксплуатационных качеств, вследствие их низкой стабильности, температуры разложения и малых сроках сохраняемости.
В качестве наполнителя фильтров-охладителей используется эффективный теплопоглощающий материал, обладающий оптимальным сочетанием высокой удельной теплоемкости материала в единице объема с высокой теплопроводностью.
Другой возможный способ охлаждения, как уже упоминалось, связан с использованием процесса адиабатного расширения предварительно сжатого газа, благодаря низкой температуре продуктов сгорания и сравнительно высокому показателю адиабаты. На практике часто используется комбинация этих способов, в результате чего возможно получить генерируемый газ с температурой не более 300 К.
Один из возможных способов охлаждения газообразных продуктов сгорания - использование твердых химических охладителей. В этом случае охлаждение газов достигается благодаря эндотермическому эффекту разложения или сублимации охладителя в газовом потоке
Однако, конструкции газогенераторов с химическими охладителями, как правило, достаточно сложны, поскольку эффективность охладителя в этом случае во многом определяется интенсивностью теплообмена между охладителем и газом. Кроме того, использование химических охладителей сопряжено с появлением в генерируемом газе посторонних примесей - продуктов разложения (возгонки) охладителей. Еще одним ограничением применения химических охладителей является относительно низкая термическая стойкость, что определяет небольшой гарантийный срок хранения и эксплуатации.
Современные типовые конструктивные схемы АЗГ можно условно разделить на две группы: первая, когда генерируемый газ истекает из генератора сразу по мере сгорания заряда; вторая, когда ПГГ работает в режиме аккумулятора давления. В этом случае весь газ, выделившийся в ре-
зультате сгорания заряда, остается в камере сгорания, откуда затем расходуется по мере надобности, как правило, по заранее заданной программе.
Как уже упоминалось, АЗГ могут использоваться в системах наддува гибких оболочек различных спасательных средств. В этом случае АЗГ могут использоваться как в замкнутых системах, когда окружающая среда непригодна для заполнения емкости, и емкость наполняется непосредственно продуктами сгорания топлива, так и в открытых, где заполнение производится в атмосфере воздуха с использованием струйного насоса, аспиратора или эжектора.
В эжекторных системах при истечении высоконапорного газа продукты сгорания АГС и воздух перемешиваются за счет турбулентности потока, после чего газовоздушная смесь направляется в полость, которая должна быть заполнена газом. Если насосы данного типа работают при наиболее эффективном перепаде давления, то можно получить отношение расхода воздуха к газу (коэффициент эжекции) 5:1, 6:1 или выше, хотя необходимо отметить, что на величину коэффициента эжекции определенные ограничения накладывают конструктивные особенности гибких оболочек, в частности, значение рабочего давления в гибкой оболочке. При заданном объеме, заполняемом газом, использование эжекторных систем приводит к соответствующему уменьшению размеров и массы газогенератора по сравнению с замкнутыми системами.
За последние 15 - 20 лет доля АЗГ в качестве вспомогательных средств ракетно-космической техники значительно увеличилась, вследствие ужесточения требований по точности и массогабаритным характеристикам объектов применения. В этот период были проведены научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР), посвященные расширению рецептурной базы компонентов, разработке оригинальных пиротехнических смесей, модернизации технологии изготовления АГС.
В результате всех проведенных мероприятий и научных работ были разработаны пиротехнические модули, позволяющие в частности, осуществлять подводный старт ракет. Были созданы АЗГ для наддува подкры-шечной мембраны транспортно-пускового контейнера (ТПК) и газогенераторы наддува разделительной мембраны первой ступени двигателя ракеты. Задача по обеспечению подводного старта была решена путем заполнения пространства между крышкой ТПК и мембраной, разделяющей отсек с ракетой от окружающей среды, избыточным давлением азота, равным давлению на глубине пуска. Другая известная проблема подводного старта -попадание воды в выходную часть сопла двигателя первой ступени при выходе ракеты из воды, была решена путем постановки разделительной мембраны, аналогичной АПБ, которая заполнялась инертным газом, вырабатываемым парой газогенераторов. Здесь еще раз отчетливо проявились
достоинства газогенераторов, снаряженных АГС: низкая температура газовой фазы, как следствие, низкие теплопотери и нерастворимость азота в воде, что обеспечило практически стабильные свойства газовой смеси в заполняемом объеме.
В последние годы были также разработаны низкотемпературные ПГГ для приведения в действие боевых элементов кассетных головных частей ракетных систем залпового огня; газогенераторы газоструйных систем ракет, что позволило обеспечить управление ракеты на активном участке траектории и тем самым добиться высокой точности поражения цели, а также комплекс газо-реактивных систем ориентации, которые позволяют корректировать параметры орбиты различных объектов.
Перспективным направлением развития АЗГ представляется использование газогенерирующих модулей для продувки ствольных артиллерийских систем. Для поддержания нормальной воздушной атмосферы внутри обитаемого отделения бронированная техника оснащается различными устройствами, которые не только усложняют проектирование и эксплуатацию бронетехники, но и не всегда оказываются эффективными. В результате проведенных НИОКР была выдвинута идея создания выстрела с интегрированным вытеснительным модулем срабатавшим от пороховых газов метательного заряда, в результате чего генерируемый им газ вытеснял продукты сгорания пороха и полностью заканчивал свою работу до момента открытия затвора и начала экстракции гильзы. Исследования экспериментальных образцов в условиях, имитирующих артиллерийский выстрел, показали высокую эффективность предложенной идеи. В результате срабатывания выстрела, снаряженного вытеснительным газогенератором, в остаточных продуктах сгорания после осуществления выстрела, регистрировалось полное отсутствие окислов азота и окиси углерода.
Достоинства азотогенераторов как источников чистых неагрессивных газов определили перспективу их применения в качестве средств защиты космических аппаратов от атак средствами противника, оснащенного средствами обнаружения, наведения и поражения, в части постановки аэродисперсных маскирующих или поражающих образований в разряженных слоях атмосферы.. Подобные устройства позволяют получать аэродисперсные образования, заранее определенной концентрации и размеров, имеют достаточно простую конструкцию, массу и габариты, что дает возможность размещать их на мобильных космических объектах.
Обобщая все вышеизложенное, можно сказать, что газогенерирую-щее направление обеспечивает вспомогательными системами большую номенклатуру средств ракетно-космической техники, при этом альтернатив применению иных систем и принципов практически нет.
В заключение необходимо выделить основные пути развития пиротехнического газогенерирующего направления:
- расширение номенклатуры применения низкотемпературных га-зогенерирующих устройств, в частности для нужд гражданской отрасли;
94
- снижение трудоемкости изготовления пиротехнических компонентов;
- увеличение доли газогенерирующих устройств, предназначенных для обеспечения вспомогательных систем космических аппаратов и защиты космических объектов;
- увеличение эффективности фильтрующих систем в целях повышения чистоты газовой фазы, а также максимального снижения температуры потока;
- повышение удельной газопроизводительности и удельного импульса газогенерирующих составов.
Список литературы
1. Шишков А. А., Румянцев Б. В. Газогенераторы ракетных систем. М.: Машиностроение, 1981. 152 с.
2. Полард Ф.Б., Арнольд Дж. Б. Вспомогательные системы ракетно-космического техники. М.: Мир, 1970. 400 с.
3. Основы современной пиротехники: учебник: в 2 ч. Ч. 1. / Н.М. Вареных [и др.]. Казань: Изд-во КНИТУ, 2014. 502 с.
4. Низкотемпературные твердотопливные газогенераторы: Методы расчета рабочих процессов, экспериментальные исследования / О.В. Ва-леева, С. Д. Ваулин, С.Г. Ковин, В.И. Феофилактов. Миасс: Изд.-во ГРЦ «КБ имени академика В.П. Макеева», 1997. 268 с.
Антонов Олег Юрьевич, заместитель начальника отдела, niiph-otd7@yandex.ru, Россия, Сергиев Посад, ОАО «ФНПЦ «НИИ прикладной химии»,
Вагонов Сергей Николаевич, канд. техн. наук, заместитель генерального директора по НИОКР, niiph-otd7@yandex.ru, Россия, Сергиев Посад, ОАО «ФНПЦ «НИИ прикладной химии»,
Тартынов Игорь Викторович, начальник отдела, niiph-otd7@yandex.ru, Россия, Сергиев Посад, ОАО «ФНПЦ «НИИ прикладной химии»,
Поляков Евгений Павлович, д-р техн. наук, проф., ms.ivtsarambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
HISTORY AND DEVELOPMENT PROSPECTS OF LOW-TEMPERATURE
PYROTECHNIC INFLA TORS
O.Y. Antonov, S.N. Vagonov, I.V. Tartinov, E.P. Polyakov
The reasons of the emergence of pyrotechnic inflator, their main advantages available for use in the auxiliary set of rocket technology, gas generators solved by tasks in the use of existing and prospective constructions, as well as main directions of development of the gas-generating pyrotechnic industry and tasks to improve the efficiency of pyrotechnic infla-tor.
Key words: gas generator, solid fuel, the gasdynamic laser, rocket engineering, nitrogen-generating composition.
Antonov Oleg Yurievich, deputy chief, niiph-otd7@yandex. ru, Russia, Sergiev Posad, JSC "FSPC"Institute of Applied Chemistry",
Vagonov Sergei Nikolaevich, candidate of technical science, deputy general director, niiph-otd7@yandex.ru, Russia, Sergiev Posad, JSC "FSPC" Institute of Applied Chemistry",
Tartinov Igor Viktorovich, Head of Department, niiph-otd7@yandex.ru, Russia, Sergiev Posad, JSC "FSPC"Institute of Applied Chemistry",
Polyakov Evgeniy Pavlovich, doctor of technical science, professor, ms. ivtsarambler.ru, Russia, Tula, Tula State University
